试析斗轮取料机无人化取料控制技术

邢台国泰发电有限责任公司 刘英肖 赵承东 国网河北省电力有限公司邢台供电分公司 岳宇飞

本文以某企业斗轮机无人化堆、取料控制系统改造项目为例。本工程对#1、#2煤场的1台DQL800/1200·30型悬臂斗轮机（甲斗轮机）和#5、#6煤场的1台DQ8030型悬臂斗轮机（丙斗轮机）控制系统进行改造。其中#1、#2煤场的甲斗轮机主要规范见表1。主要改造范围为2台斗轮机改造、调试和运行，远程操作台增设，数据交换系统的构建，同时还需实现远程控制通信，并在斗轮机臂架加装防碰检测装置，以及视频监控系统。

表1 #1、#2煤场的甲斗轮机主要规范

1 斗轮无人化取料控制系统构成

斗轮无人化取料控制系统实际上属于自动化取料系统，整个系统功能强大、结构复杂，为满足远程控制需求以及无人取料作业要求，无人取料控制系统需要具备以下四个基础系统。

1.1 地面控制系统

地面控制系统主要用于实施远程控制。此次项目改造过程中，在输煤集控室新增了操作台，并将其作为人工干预后备手段。通过在操作台当中设置PLC 系统，实现操作台、控制中心机柜与两台斗轮机之间的数据交换，进而达到远程控制的目的。在设备实际运行的过程中，可由操作人员直接控制操作台进行远程作业，当出现突发情况时，也可一键急停，实现人工与自动化操作之间的无缝切换，降低对作业流程的影响。地面操作控制系统主要包括远程控制操作台、交换机、食品终端，以及工控主机。处于集控室的工作人员，需要根据远程监控视频信号实际情况，合理控制和操作系统。

在实际安装调试地面控制系统的过程中，需要注意以下要点：一是控制中心机柜安装应参照标准机柜要求，设置在输煤集控室；二是中空主交换机需要提供百兆电口和百兆光口，同时预留扩展接口，加强对于产品质量、品质的把控；三是确保机柜和就地控制台具备防尘、防水、防潮等功能，并且耐一定程度的振动，此外需选用304不锈钢材料，钢板厚度不小于2.5mm，机柜主体框架的钢板厚度至少为3.5mm，以免形变；四是确保所有金属构件与接地母线相连[1]。

1.2 定位系统

定位系统主要用于检测材料位置，由于实际取料运输的过程中，材料处于运动状态之下，因此为确保定位准确，应在堆、取料机走行、回转、俯仰机构处设置定位检测系统。结合案例工程项目实际情况特点，回转机构定位系统选用了编码器方式，通过将其固定在斗轮堆、取料机走行轮等位置，使其能够随轨道运行，可进行数据采集，并将其实时传送回控制系统。俯仰机构的定位系统选用的是倾角传感器；斗轮机臂架前设置料高检测仪；侧面安装雷达或超声波，以免出现碰撞情况；斗轮机前后车挡设置激光感应器，防止碰撞。

1.3 软件管理系统

软件管理系统是斗轮取料机无人化取料控制技术应用的要点，借助智能一体化平台，结合实际作业需求，构建全自动无人堆取操控系统软件，以此达到自动作业的目的。对此，在实际构建软件管理系统的过程中，应着重从以下两个方面入手：一是将单机操作与自动操作平台有机融合在一起，以便后续操作和维护管理，提高操作的便利性，实现数据信息的高效共享；二是结合实际操作需求以及操作习惯，优化设计界面布局、风格等，加大画面功能开发力度，以便更好地实现人机交互。

软件管理系统的设置需要满足远程人工以及自动控制要求，实现对于堆、取料机的全景式管理，实时采集设备状态信号，并对故障问题进行报警。此外，还应具备数据的分类、存储、查询、处理，以及显示等相关功能，确保能够满足实际作业需求。结合实际斗轮取料机无人化取料控制要求，软件管理系统界面需要具备以下主要功能：一是显示功能，主要包括登录界面、主界面、堆、取料单机界面、通信状态、报警界面等可供远程操作的界面；二是查询监测功能，可实时推动显示报警信息，并进行数据查询、调取，此外，还可将设备运行情况状态以图表的方式实时显示出来，实现远程监测；三是其他功能，软件系统可实现对参数的设置和维护，操作人员可根据实际需求进行参数修改调整、初始化，控制各种设备、扫描仪，以及故障复位、显示3D 存煤模型等[2]。

1.4 视频监控系统

对于斗轮无人化取料控制而言，在实际操作时，多为远程、自动控制，而在此过程中，视频监控具有无可取代的作用和地位，对技术的应用效果有着直接影响。结合案例工程项目实际情况，为确保远程控制系统的可靠性，需要根据整个取料流程情况，设置完善的视频监控体系，拟采用至少8个定点高清网络摄像机，以此确保操作人员能够实时掌握、了解实际取料情况，以及设备的运行状态，避免出现盲区，影响实际工作质量效率。

详细摄像头安装位置及类型如下：球机（各1台）。斗轮堆取料机轮斗处、斗轮堆取料机司机室前方、斗轮堆取料机配电室内；定点（各1台）。斗轮堆取料机悬臂皮带上方、斗轮堆取料机悬臂皮带下方、斗轮堆取料机尾车皮带上方、斗轮堆取料机落料筒处、斗轮堆取料机堆料分流挡板处、斗轮堆取料机电缆卷盘处。此外，还采用了硬盘录像机作为视频信号的存储系统，通过无线通信装置与地面控制室相连，实现视频信号的实时传输。

2 斗轮无人化取料控制系统的应用

斗轮无人化取料控制系统的实际应用需要以取料作业流程为基础，先由斗轮转动挖取物料，然后由挡板运输至悬臂皮带，最后完成装料。实际取料工艺主要包括以下几种：一是平推取料，即分层不分段取料，需结合实际料垛高度，确定取料层数，通常17m 的料高可划分为4层，整个取料过程包括回转、行走和俯仰三个自由度；二是梯形取料，为分层分段取料方式，需先在料垛顶层确定固定的取料长度，然后换层取料，在确保料堆稳定的基础上，确定好每层取料的程度，最终形成梯形料堆。两种取料方式各有优缺点，前者换成次数少，实际操作效率较高，但同时也会使库存紧张；后者则换成次数较多，实际工作效率偏低，但是能够有效解决平推取料方式下库存紧张的情况，便于堆场管理。在采用无人取料控制系统时，现场工作人员需要结合实际情况，合理选择相应取料方式。结合取料操作流程，为更好地发挥无人化、自动化取料控制系统的作用，确保取料过程顺利，需结合实际情况合理设计取料策略，科学应用取料流量控制器。

2.1 取料策略设计

斗轮无人化取料流程，需先进行激光扫描，获得作业煤堆的三维模型，然后得到相应斗轮切入点坐标，自动对垛，最后自动取料。实际取料策略设计要点如下。

自动对垛策略设计。自动对垛是无人化取料系统的应用基础，直接决定着取料质量和效率，因此，对于自动对垛策略的设计研究是十分重要的。结合无人取料实际工作情况，自动对垛详细流程如下：开始-起始位置-行走至目标行走位置-俯仰至极限位置，启动斗轮-回转至目标回转角度-俯仰至目标俯仰角度-步行回转取料，直至斗轮碰到料堆停止-结束。需注意：一是结合实际取料需求，确定斗轮切入点；二是确定目标位置、回转角度和俯仰角度；三是控制操作台发出自动对坐指令，操作台会控制设备自动抵达目标位置，并调整俯仰角度和回转角度，直至斗轮与料堆相接触，此时斗轮压力指数会发生变化，提醒操作人员已经完成自动对垛。

第二，到边换向策略设计。在实际用于无人化取料控制系统的过程中，由于取料时大臂会出现回转操作，为更好地避免反向回转风险，造成斗轮扎入料堆的情况，影响取料流程，甚至发生安全事故，需要合理展开到边换向策略的设计。到边换向策略设计过程中，需要将取料机行走位置、回转角度，以及俯仰角度转换为斗轮底部三维坐标，以便后续计算分析，具体坐标转换公式如下：

式中，X1表示大机行走位置；L 表示悬臂长度；α 表示悬臂俯仰角；H1表示悬臂俯仰铰点与斗轮中心的竖直距离；L1表示悬臂俯仰铰点与回转中心的水平距离；β 表示回转角；Y1表示回转中心在Y 轴上的坐标；H 表示悬臂俯仰铰点高度；H2表示悬臂俯仰铰点在Z 轴上的位置；R 表示斗轮半径[3]。

在实际设计到边换向策略时，结合斗轮底部Y 的位置，将其与每层料堆边界Y 位置对比分析，以此确定自动回转取料边界相关信息，并通过雷达功能，实现边界检测，以此有效避免出现大臂反向回转的情况，防止大臂突然反向回转，以此确保实际取料流程的顺畅性，保障取料作业安全、可靠。

塌垛处理策略设计。塌垛是实际取料过程中经常出现的问题，不仅会导致皮带机过载，而且还会中止取料过程，影响实际作业。因此，如何处理塌垛问题始终是斗轮取料过程中重点研究的内容。基于无人化自动取料特点，为保障作业效率，实际操作过程中，大臂存在回转过快的情况，而料堆本身较为松散，因此料堆坍塌事故屡见不鲜，斗轮当中的料会出现突然增多的情况，影响系统正常运行。对此，在运用无人化自动取料系统时，应重点设计塌垛处理策略。当斗轮当中突增较多煤料，表明发生了塌垛事故，需进入塌垛处理流程。

在此过程中，准确判断塌垛情况尤为重要，其判断流程如下：开始-正常取料过程中-斗轮在运行状态10s，斗轮没有旋转或者回转变频器电流过高（如否，重复进行上一步）-自动模式下发生煤料坍塌-第一次产生坍塌的脉冲时，记录当前设备的行走值、回转值和俯仰值-停止行走/回转/俯仰运动-结束。

此外，还应进行自动塌垛恢复设计，以此确保取料流程得以正常推进。塌垛恢复流程共包括以下几个步骤：一是进行煤堆坍塌恢复初始化，若斗轮运行10s 后，并未出现旋转或者回转变频器电流过高的情况，则推进下一流程。二是在俯仰角度与坍塌时俯仰角度之差在0.3°以内，且当前行走位置与坍塌时行走位置之间的差值不超过0.3m 时，可判定为塌垛恢复完成，可进入后续取料流程；若不满足上述要求，需要将第一次坍塌时的行走之和俯仰值赋值给当前情况，并重新进行差值计算，直至符合要求。

2.2 取料流量控制器的应用

取料流量控制器是确保无人化取料控制系统运用质量效果的重要设备，在系统当中有着极大的作用。在实际设计流量控制器时，需先构建斗轮取料系统模型，以此确定取料时取料量与回转角度等相关参数之间的关系，并采用PID 控制法以及便捷控制阀，实现对于速度控制器的有效设计，以此确保取料流量控制准确、合理。经计算分析，取料量与回转速度之间的关系表达式如下：h=（60×60×ρ×v×H）/1000，式中：h 表示每吨每小时取料量；ρ 表示物料密度；v 表示以体积为单位的取料速度；H 表示取料高度。

根据上述分析可知，取料量与回转速度之间并非单纯的线性关系，为保障取料流量控制效果，对于非线性增量，在设计过程中，应设计前馈补偿模块。对此，需要以斗轮负载压力和空载压力之差作为控制系统的前置反馈量，并根据皮带秤瞬时流量值校正，以此实现对取料流量的有效、稳定的控制[4]。